Вопросы надежности для DC/DC-преобразователей.
Часть 1

Прогнозирование надежности

Одним из самых ранних системных подходов к надежности электронных компонентов и сборочных единиц является справочник армии США “Military Handbook. Reliability Prediction of Electronic Equipment” («Военный справочник. Прогнозирование надежности электронного оборудования»), известный как стандарт MIL-HDBK‑217. Он состоит из обширной базы данных по отказам различных компонентов и основан на эмпирическом анализе большого числа эксплуатационных отказов электрооборудования, электронных и электромеханических компонентов, осуществленном Мэрилендским университетом.

Справочник постоянно обновлялся и совершенствовался вплоть до 1995 года, затем его окончательный вариант был назван MIL-HDBK 217 Редакция F с Примечанием 2. В настоящее время стандарт больше не обновляется, но приведенные в нем данные и методы до сих пор не утратили своей актуальности.

MIL-HDBK содержит два метода прогнозирования надежности, раздел анализа по коэффициентам нагрузки элементов в конкретной схеме PSA (англ. PSA — Stress Analysis) и раздел по количественному анализу PCA (англ. PCA — Parts Count Analysis). Метод PSA требует обширной и весьма подробной информации и, как правило, чаще применим к завершающим стадиям разработки, когда при проверке надежности могут быть использованы измеренные данные и результаты предварительных испытаний. В отличие от него метод PCS предполагает наличие самой минимальной информации, такой как общее количество частей, уровень их качества и условия среды их эксплуатации.

Самое большое преимущество методологии стандарта MIL HDBK 217 заключается в том, что метод РСА дает прогноз надежности, основываясь лишь на перечне элементов и предполагаемой области использования изделия. Таким образом, показатель надежности может быть рассчитан для продукта, который даже пока не изготовлен. Для этой цели применяется расчет интенсивности отказов по следующей формуле:

где N_C — количество элементов (отдельно по каждому типу элементов); λ_C — интенсивность отказов каждого типа элементов (значения взяты из базы данных); π_E — коэффициент, учитывающий факторы влияния окружающей среды (зависит от области применения данного приложения); π_F — комплексный функциональный коэффициент (учитывает дополнительные влияния, вызванные взаимодействием компонентов); π_Q — коэффициент, учитывающий фактор уровня качества компонента (стандартный или специально отбракованный элемент); π_L — коэффициент, учитывающий новизну компонента (хорошо известный и испытанный элемент или вновь разработанный).

Расчет даст показатель для каждого используемого компонента. Общая надежность может быть найдена путем суммирования всех отдельных результатов (табл. 1).

Интенсивность отказов определяется как интервал времени между двумя отказами в часах либо как среднее время между отказами (MTBF), или как интервал времени до первого отказа — наработка на отказ (MTTF). Стандартное поведение отказов описывается широко известной кривой интенсивности отказов, имеющей U‑образную форму.

На рис. 1 показана форма этой кривой. Форма кривой примерно одинакова для всех компонентов и систем, различие только в большем или меньшем значениях по оси времени. Она разделена на три основные части (зоны): I — начальный период; II — период нормальной эксплуатации; III — период старения. Параметр MTTF включает зоны I и II, в то время как среднее время безотказной работы MTBF включает только зону II.

Рис. 1. Кривая интенсивности отказов

Зона I описывает область ранних отказов, которые, как правило, вызваны скрытыми дефектами материала или наличием производственных дефектов, не выявленных при приемо-сдаточных испытаниях, до того как продукт был поставлен заказчику. Время начальной интенсивности отказов обычно имеет относительно короткую продолжительность. Даже для сложных систем зона начальных отказов не превышает начальный период в 200 ч от начала их использования. А в случае с DC/DC-преобразователями большинство ранних отказов будет происходить в течение первых 24 ч работы.

Такое время может считаться как достаточно короткий период для преобразователя с гарантированным сроком эксплуатации в три года. Действительно, если мы говорим о DC/DC-преобразователе, действующем на частоте 100 кГц, то переключающие транзисторы и трансформатор уже в первый день своей работы выполнят более чем 140 млн переключений и отказ из-за скрытых дефектов компонентов, скорее всего, уже произойдет.

Влияние температуры — это один из ускоряющих факторов, воздействующих на рост интенсивности отказов, время перехода (T1) от зоны начальной интенсивности отказов до зоны нормальной эксплуатации может быть значительно сокращено, если использовать термотренировку в термокамере (рис. 2). Если преобразователи выдержат ее при полной нагрузке и при повышенных температурах, то такая термотренировка в течение примерно 4 ч является вполне достаточной для выявления практически всех начальных отказов изделия. Если начальные отказы все же проявляются уже в эксплуатации, то время термотренировки может быть увеличено. Для применения изделий в приложениях, требующих высокой надежности, например в оборудовании для железных дорог, время термотренировки обычно устанавливают до 24 ч.

Рис. 2. Испытания DC/DC-преобразователей в термокамере (Токр = 40 °C)

Период нормальной эксплуатации отличается тем, что в зоне II интенсивность отказов соответствует заданной и находится на стабильно низком уровне. Второй переход (Т2) от периода нормальной эксплуатации к периоду старения зависит от многих факторов. Это может быть качество самой конструкции и используемых компонентов, качество изготовления и монтажа, факторы воздействия окружающей среды. Зона III представляет собой конец жизненного цикла продукта, в течение которого снижение производительности вызвано физическим износом и химической деградацией применяемых материалов. В этот период можно ожидать возникновения внезапных нарастающих лавинных отказов.

Поскольку большинство производителей DC/DC-преобразователей использует термотренировку для выявления начальных отказов, то в спецификациях чаще всего приводятся значения параметра MTBF.

Однако некоторые изготовители предпочитают использовать обратную величину интенсивности отказов MTBF — количество отказов на 10⁹ ч эксплуатации изделия. Этот параметр называется FIT (англ. FIT — Failures In Time):

FIT = 10⁹/MTBF.

Формула показывает соотношение между FIT и MTBF.

Влияние окружающей среды

Стандарт MIL-HDBK‑217 содержит модели надежности, разработанные на основе военных приложений общего назначения. Однако большое влияние на его надежность оказывает тип конкретного приложения, в котором будет использоваться DC/DC-преобразователь. Так, если преобразователь будет установлен на корабле, то коррозионный эффект морского воздуха уменьшит срок его службы, даже если сам преобразователь эксплуатируется в сухом месте (табл. 2).

Если конечное назначение области применения приложения известно, то для расчета MTBF может быть использован поправочный коэффициент относительно значений, установленных для стационарного наземного оборудования (GB), работающего в легких условиях эксплуатации. Этот базовый коэффициент учета условий окружающей среды принят равным 1 (табл. 3).

Например, DC/DC-преобразователь с MTBF, равным 1 млн ч, в соответствии со спецификацией (которая базируется на показателях для оборудования класса GB) необходимо будет «понизить» до уровня порядка 610 тыс. ч, если этот преобразователь будет использоваться в портативной носимой технике. Это следует выполнить, чтобы учесть влияние дополнительных внешних воздействий, таких как удары, толчки, резкие изменения температуры и т. п., связанных с носимым оборудованием.

Пожалуй, одним из удивительных результатов, вытекающих из анализа стандарта MIL-HDBK‑217, является то, что космический полет приравнивается к щадящим наземным условиям эксплуатации оборудования. Это связано с тем, что на борту спутника или космического корабля условия окружающей среды тщательно контролируются, там нет вибраций или загрязнений в воздухе, таким образом, электронное оборудование имеет теоретически длительный возможный срок эксплуатации. На практике, однако, космические лучи могут пробить отверстия в подложках полупроводниковых приборов и тем самым вызвать сбои в работе оборудования.

Это явление можно устранить, выполнив DC/DC-преобразователи радиационно-стойкими, то есть добавив в их конструкцию элементы защиты от излучения высокой энергии. Но на практике обычно используются более надежные простые схемы, без применения каких-либо микросхем. Полевой транзистор может выдерживать значительный уровень воздействия энергии космических лучей, так как поверхность его подложки относительно велика и устойчива к точечным дефектам. Таким образом, простой двухтактный DC/DC-преобразователь с только дискретными компонентами часто в большей степени пригоден для применения в космической технике.

Продолжение статьи.